Что такое и как выглядят лизосомы – строение и функции. Строение лизосом, ферменты и функции Ферменты лизосом вначале накапливаются в

Лизосомы – это мембранные органеллы диаметром от 0,2 до 2,0мкм. Входят в состав эукариотической клетки, где находятся сотни лизосом. Главная их задача – это внутриклеточное переваривание (расщепление биополимеров), для этого органеллы имеют специальный набор гидролитических ферментов (сегодня известно около 60 видов). Ферментные вещества окружены замкнутой оболочкой, что предотвращает их проникновение внутрь клетки и ее разрушение.

Первые выявил лизосомы и занялся их изучением бельгийский ученый в области биохимии Кристианом де Дювом еще в 1955 году.

Особенности строения лизосом

Лизосомы имеют вид мембранных мешочков с кислым содержимым. По конфигурации бывают овальными или круглыми. Во всех клетках организма есть лизосомы, исключение – эритроциты.

Особым отличием лизосом от остальных органоидов является наличие во внутренней среде кислых гидролаз. Они обеспечивают распад веществ белковой природы, жиров, углеводов, а также нуклеиновых кислот.

К лизосомальным ферментам принадлежат фосфатазы (маркерный фермент), сульфатаза, фосфолипаза и многие другие. Оптимальная среда для нормальной работы органелл — кислая (pH = 4,5 — 5). При недостаточности ферментов или не эффективной их деятельности, ощелачивании внутренней среды, могут возникнуть лизосомальные болезни накопления (гликогенозы, мукополисахаридозы, болезнь Гоше, Тай-Сакса). Как следствие в клетке накапливаются непереваренные вещества: гликопротеиды, липиды и др.

Одномембранная оболочка лизосом оснащена транспортными белками, которые обеспечивают перенос из органеллы во внутреннюю среду клетки продуктов переваривания.

Есть ли в растительной клетке лизосомы?

Нет. В клетках растений содержатся вакуоли – образования, заполненные соком и заключены в оболочку. Они образуются из провакуолей, отошедших от ЭПС и . Клеточные вакуоли осуществляют ряд важных функций: накопление питательных веществ, поддержание тургора, переваривание органических веществ (что указывает на сходство между растительными вакуолями и лизосомами).

Где образуются лизосомы?

Формирование лизосом идет из пузырьков, отпочковавшихся от аппарата Гольджи. Для образования органелл необходимо также участие зернистой мембраны эндоплазматической сети. Все ферменты лизосом синтезируются рибосомами ЭПС, а затем направляются к аппарату Гольджи.

Виды лизосом

Различают два вида лизосом. Первичные лизосомы формируются возле аппарата Гольджи и содержат не активированные ферменты.

Вторичные лизосомы , или фагосомы имеют активированные ферменты, которые непосредственно взаимодействуют с расщепленными биополимерами. Как правило, ферменты лизосом активируются при изменении рН в кислую сторону.

Лизосомы также делятся на:

гетеролизосомы — переваривающие вещества, захваченные клеткой путём фагоцитоза (твердые частицы) или пиноцитоза (поглощение жидкости);
аутолизосомы — предназначены для разрушения собственных, внутриклеточных структур.

Функции лизосом в клетке

Внутриклеточное переваривание;
аутофагоцитоз;
аутолиз.

Внутриклеточное переваривание попавших в клетку в процессе эндоцитоза питательных соединений или чужеродных агентов (бактерий, вирусов и т.д.) осуществляется под действием лизосомальных ферментов.

После переваривания захваченного материала, продукты распада попадают в цитоплазму, непереваренные частицы остаются внутри органеллы, которая теперь носит название — остаточного тельца . При нормальных условиях тельца покидают клетку. В нервных клетках, которые имеют длительный жизненный цикл, за период существования накапливается множество остаточных телец, в которых содержится пигмент старения (не выводятся также при развитии патологии).

Аутофагоцитоз - расщепление клеточных структур, которые уже стали не нужны, например, во время формирования новых органелл, от старых клетка избавляется путем аутофагоцитоза.

Аутолиз - самоуничтожение клетки, которое приводит к её разрушению. Этот процесс не всегда носит патологический характер, а происходит в нормальных условиях развития индивидуума или при дифференцировке отдельных клеток.

Например: гибель клеток естественный процесс для нормально функционирующего организма, поэтому существует запрограммированная их смерть — апоптоз. Роль лизосом при апоптозе достаточно велика: гидролитические ферменты осуществляют переваривание отмерших клеток, и очищают организм от тех, что уже выполнили свою функцию.

При преобразовании головастика в зрелую особь, лизосомы, располагающиеся в клетках хвостовой части, расщепляют его, как следствие хвост исчезает, а продукты переваривания поглощаются остальными клетками тела.

Сводная таблица строения и функций лизосом

Строение и функции лизосом
Этапы	Функции
Ранняя эндосома	Образуется при эндоцитозе внеклеточного материала. Из эндосомы рецепторы, передавшие (из-за низкого рН) свой груз, переходят обратно на внешнюю оболочку.
Поздняя эндосома	Из ранней эндосомы в полость поздней эндосомы переходят мешочки с частицами, поглощёнными при пиноцитозе, и пузырьки из пластинчатого комплекса с кислыми ферментами.
Лизосома	Пузырьки поздней эндосомы переходят к лизосоме, содержат гидролазирующие ферменты и вещества для переваривания.
Фагосома	Предназначена для расщепления крупных частиц, захваченных путём фагоцитоза. Фагосомы потом соединяются с лизосомой для дальнейшего переваривания
Аутофагосома	Область цитоплазмы окружена двойной мембраной, формируется при макроаутофагии. Затем соединяется с лизосомой.
Мультивезикулярные тельца	Одномембраные образования, содержат несколько мелких мембранных мешочков. Образуются при микроаутофагоцитозе, переваривают материал, поступивший снаружи.
Телолизосомы	Пузырьки, накапливающие непереваренные вещества (чаще всего, липофусцин). В здоровых клетках соединяются с внешней оболочкой и с помощью экзоцитоза оставляют клетку.

Лизосомы
- клеточные органеллы образованные одним бислоем мембраны. В лизосомах происходит разрушение комплексов лиганд-рецептор

метаболизм холистерола

гидролазы разрушают белки, липиды, углеводы, нуклеиновые кислоты

Внутри лизосом поддерживается постоянный pH = 5, обеспечиваемый ATP-зависимой помпой, которая посредством антипорта Na
+
и H
+
закачивает H
+
внутрь лизосомы. pH поддерживается так же Cl-ионными каналами

Ферменты лизосом: рибонуклеаза, дезоксирибонуклеаза, фосфатаза, гликозидазы, арилсульфатазы (органические эфиры серной кислоты), коллагеназа, катепсины

Структура лизосомного фермента D катепсина с присоединенным сахаром включающим маннозу: PDB = 1LYA.

lgpA lgpB группа интегральных белков 100-120 кДа, сильно гликозилированы. Гликозилирование собственных мембранных белков предотвращает самопереваривание.

Белки лизосом синтезируются в ЭР, проходя транс-сеть АГ, образуют эндосомы которые сливаются

d=0,2-2мкм. деградация клеточных компонентов, ~40 гидролаз (нуклеазы, протеиназы, гликозидазы, липазы, фосфатазы, сульфатазы, фосфолипазы) с оптимумом pH~4,5-5 (в цитоплазме ~7-7,3) - протонные насосы - защита от деградации клетки

образуемые в ШЭР белки гликозилируются в АГ, терминальные маннозные остатки (Man) фосфорилируются по С-6, с образованием концевого остатка -
маннозо-6-фосфат
(Man-6-P). Рецепторы АГ узнают Man-6-P, происходит локальное накопление белков в АГ –
клатрин
– вырезает и транспортируют подходящие мембранные фрагменты в составе транспортных везикул к эндолизосомам. В эндолизосомах происходит понижение pH протонными насосами (H
+
-ATP-аза). Происходит диссоциация белков от рецепторов, отщепление фосфатной группы от Man-6-P. Man-6-P рецепторы используются вторично после рецикла – переносятся в АГ.

транс-Гольджи содержит
манноз 6-фосфатный рецептор связывающий фосфарилированную маннозу лизосомных ферментов,
направляя ферменты к транспортной везикуле.

Первичные лизосомы .
Аутофагия
– захват органеллы =
вторичные лизосомы
– процесс гидролитического расщепления |
остаточные тельца .

Гетероцитоз
– слияние лизосомы с эндосомами эндо- и фагоцитоза.

Мембранные элементы лизосом защищены от действия кислых гидролаз олигосахаридными участками, которые не узнаются ферментами, или мешают гидролазам взаимодействовать с ними.

оксидаза D-аминокислот
– окисляет D-аминокислоты до кетокислот.

Разрушение белков в лизосомах.

Цитоплазматические белки могут разрушаться в протеасомах (см. обзор
Протеасомы
) или в лизосомах. Разрушаемые белки имеют специфический участок узнаваемый шаперонами, которые связываясь с белком транспортируют его к рецепторам на мембране лизосомы. Белок расплетается шаперонами и проникает в канал, ведущий внутрь лизосомы, на другом конце которого протеаза разрезает белок на мелкие фрагменты. Активность такого пути заметно снижается в фибробластах и клетках печени старых крыс. Такое снижение способствует накоплению ненужных белков, нарушая различные клеточные процессы.

Автофагия

При длительном голодании клетка берет энергию и необходимые компаненты для своего выживания разрушая некоторые органеллы. В разрушении органелл участвуют лизосомы.

Органеллы образуемые из лизосом

В некоторых дифференцированных клетках лизосомы могут выполнять специфические функции, образуя дополнительные органеллы. Все
дополнительные функции связаны с секрецией веществ.

органеллы	клетки	функции
меланосомы	меланоциты, ретинальный пигментный эпителий	образование, хранение и транспорт меланина
тромбоцитные гранулы	тромбоциты, мегакариоциты	освобождение АТФ, АДФ, серотонина и кальция необходимых для свертывания крови
ламеллярные тельца	эпителий легких типа II	хранение и секреция сурфактанта необходимого для работы легких
лизирующие гранулы	цитотоксические Т лимфоциты, NK клетки	разрушение клеток инфицированных вирусом или опухолевы
ГКГ класс II	антиген представленные клетки (дендритные клетки, В лимфоциты, макрофаги и др.)	Изменение и представление антигенов для CD4+ T лимфоцитов для имунной регуляции
базофильные гранулы	базофилы, mast клетки	запускают высвобождение гистаминов и других воспалительных стимулов
азурофильные гранулы	нейтрофилы, эозинофилы	высвобождают микробицидные и воспалительные агенты
остеокластные гранулы	остеокласты	разрушение костей
тельца Вейбеля-Палладе	эндотелиальные клетки	созревание и регулируемый выброс фактора Виллебрандта в кровь
а-гранулы тромбоцитов	Тромбоциты, мегакариоциты	выброс фибриногена и фактора Виллебрандта для адгезии тромбоцитов и свертывания крови

Заболевания связанные с лизосомами

Tay-Sachs disease

chediak-Higashi синдром

Hermansky-Pudlak синдром

Griscelli синдром

Сокращения.

ЭР - эндоплазматический ретикулум

АГ - аппарат Гольджи

Ферменты лизосом, как и все вообще белки, синтезируются в рибосомах, расположенных в складчатых мембранах эндоплазматической сети (смотрите рисунок ниже).

Лизосомные ферменты (черные точки), подобно всем вообще ферментам, синтезируются в рибосомах эндоилазматической сети; затем в непосредственной близости от аппарата Гольджи они упаковываются в небольшие мешочки — родоначальные, незрелые гранулы. Эти гранулы развиваются в первичные лизосомы и иногда выделяют свое содержимое во внеклеточную среду. Но в большинстве случаев ферменты запасаются для внутриклеточного переваривания. Инородные частицы попадают в клетку в результате так называемого эндоцитоза (слева). Попадая в клетку, они оказываются внутри фагосом — пузырьков, ограниченных мембраной. Первичные лизосомы сливаются с фагосомами, в фагосомы поступают пищеварительные ферменты, и в результате образуются вторичные лизосомы. Частицы перевариваются, а непереваренный материал остается внутри остаточных телец, которые некоторое время остаются в клетке или сливаются с клеточной мембраной, и тогда их содержимое выделяется во внеклеточную среду.

Вблизи групп пузырьков, образующих так называемый аппарат Гольджи, лизосомные ферменты упаковываются в органеллы, окруженные одинарной липопротеидной мембраной. Эти родоначальные гранулы развиваются в первичные лизосомы, в которых ферменты, хотя и находятся в неактивной форме, но готовы к употреблению в любой момент.

Как только лизосомы были опознаны, почти сразу обнаружилось, что многие уже и ранее знакомые биологам цитоплазматические частицы, внешне довольно разнообразные, также относятся к лизосомам. Пожалуй, наиболее типичные лизосомы — это характерные гранулы, которые постоянно встречаются в цитоплазме лейкоцитов. Но и во всех других до сих пор изученных клетках животного происхождения, за исключением эритроцитов, имеются органеллы, содержащие гидролитические ферменты и, следовательно, относящиеся к категории лизосом. Сходные органеллы обнаружены и у растений, в том числе у грибов и дрожжей.

У бактерий нет лизосом в той форме, в какой они встречаются у высших организмов, но с помощью определенных методов из них удается выделить гидролитические ферменты, по свойствам близкие к ферментам лизосом. Иными словами, присутствие литических (т. е. переваривающих) ферментов, как правило, заключенных в мембраны, но способных при определенных воздействиях высвобождаться во внешнюю среду, по-видимому, является одним из самых общих признаков живых организмов.

«Молекулы и клетки», под ред. акад. Г.М.Франка

Распространенность среди царств живой природы

Лизосомы были впервые описаны в 1955 году Кристианом де Дювом в животной клетке, а позже были обнаружены и в растительной. У растений к лизосомам по способу образования, а отчасти и по функциям близки вакуоли . Лизосомы есть также у большинства протистов (как с фаготрофным, так и с осмотрофным типом питания) и у грибов. Таким образом, наличие лизосом характерно для клеток всех эукариот . У прокариот лизосомы отсутствуют, так как у них отсутствует фагоцитоз и нет внутриклеточного пищеварения.

Признаки лизосом

Один из признаков лизосом - наличие в них ряда ферментов (кислых гидролаз), способных расщеплять белки , углеводы , липиды и нуклеиновые кислоты . К числу ферментов лизосом относятся катепсины (тканевые протеазы), кислая рибонуклеаза, фосфолипаза и др. Кроме того, в лизосомах присутствуют ферменты, которые способны отщеплять от органических молекул сульфатные (сульфатазы) или фосфатные (кислая фосфатаза) группы.